基本光学测量技术

1、第三章 基本光学测量技术 第一节 光电测量用的精密测角仪 第一节 光电测量用的精密测角仪 n角度计量是计量科学的重要组成部分，随着生产和高科技 的发展，对角度计量的要求日益增多，测角技术及其测量准 确度因为在不断提高。光学测量所涉及的许多量是可以通过 测量角度后间接得到的，例如棱镜角度的偏差、反射棱镜角 度的光学平行差、玻璃材料的折射率、光学系统的焦距、自 聚焦透镜的数值孔径等。 n角度测量的方法和仪器很多，例如光学角度规、水平仪、 测角仪、光学分度头、分度台、经纬仪、罗盘、体视望远镜、 周视瞄准镜等。精密测角仪是实现任意角高精度测量的重要 仪器之一，也是光学测量实验室的基本仪器。 n测角仪的

2、关键部件是圆分度器件，圆分度是指对圆周的分 度，角度测量就是使被测的角度量与圆分度进行比较。 n实现圆分度的器件有很多种，常用的是度盘，其它还有多 面体、圆光栅、光学轴角编码器、同步感应器等。 1精密测角仪 一、精密测角仪概述 n近年来，利用计量光栅的测角技术发展迅速，精度越来越 高，应为圆周误差是封闭的，很容易采用全积分或多头读数 法将圆光栅的刻划误差减小，使测角系统具有较高的测角准 确度；同时随着微电子技术的发展，将光栅的一个刻线周期 等分成百份甚至上千份都是能够办到的，因此可以获得很高 的角分辨率；计量光栅还具有信号强、反差高非接触、响应 速度快和便于控制等特点，因此它广泛应用于角度的计

3、量中。 国内外著名的精密测角仪，其角度基准器几乎都是利用计 量光栅制成的。 1精密测角仪 一、精密测角仪概述 n第一代测角仪-用光学度盘作基准器的测角仪（测量不 确定度多数为秒级，如英国60年代生产的C-20型测角仪，不 确定度1，分辨率0.1； n第二代测角仪-利用光栅做成的数显转台，不确定度达 十分之一秒级，如我国航天航空工业部与1985年研制成功的 精密数显转台，角分辨率为0.01 ,不确定度为0.22 ； 西德70年代末研制的210转台，分辨率为0.02 ，不确定 度为0.15 。 n第三代测角仪-以电子计算机控制的具有自动测角功能 的精密测角仪，如日本的用于角度编码器的自动校准系统，

4、 可以5转/分的转速动态测角，微机修正误差和数据处理分辨 率为0.0135 ，不确定度优于0.3 1精密测角仪 二、JC-1型精密测角仪工作原理 nJC-1型精密测角仪是我国自行设计。研制成功的新型动态 测角仪。该仪器在设计中采用积木式及结构，可进行多种组 合以满足测角、测量光学材料折射率、测量光栅分度元件的 刻划误差等的需要。该测角仪利用微机控制测角过程、修正 分度误差及进行数据处理；能自动寻找最小偏向角，以最小 偏向角法自动测量光学材料折射率，其功能如图3-1所示。 n仪器主要由角度基准器、动态光电自准直仪、传动系统及 电器柜等组成，如图3-2所示。 二、JC-1型精密测角仪工作原理 图图

5、3-1 JC-13-1 JC-1型精密测角仪功能图解型精密测角仪功能图解 角度器件 动态测试仪 编码器，联轴器 编码器，联轴节 谱线发光管 精密测角仪 角基准器+光电自准直仪 棱镜、角度块、多面体 折射率测量仪 自寻 光栅检验仪 光栅盘，度盘等 读数头 光栅 + + + 1精密测角仪 二、JC-1型精密测角仪工作原理 n由CMC-80单板机按预定速度控制无刷力矩电机直驱空气轴 承转台。由测速机信号组成的速度环及光栅信号给出的位置 环控制转台转动，获得了低速下的高稳定性传动。 n角度基准器使用了一块刻线数为129600线光栅，由同一光 源发出的光被对称的分成八路，形成平行光后照射在八个光 栅副上

6、，莫尔条纹光信号经硅光电二极管转换成电量，并给 出 四路信号，采用载波调制锁相倍频 技术细分为五百等份后，一度分秒共九位数字显示在面板上 或送计算机采集。 cos,sin,cos,sin 1精密测角仪 二、JC-1型精密测角仪工作原理 n动态光电自准直仪在收到自准信号后，形成对准脉冲，以 此脉冲锁存角度基准器角度值并显示在面板上同时送计算机 采集。 JC-1型精密测角仪之所以能达到不确定度 （峰峰 值），主要是测角仪中有几个关键单元技术达到较高水平。 三、JC-1型精密测角仪的单元技术 （一）空气静压轴承 空气轴承为计量光栅提供了优良的轴系。用于测角的空气轴 承回转精度高（运动误差小于0.02

7、5m），刚度高。曾在转 台上 处值1.3公斤铅块，在此条件下检验测角仪精 度与加载前物变化。 91 . 0 U mmR200 1精密测角仪 三、JC-1型精密测角仪的单元技术 （一）空气静压轴承 在结构设计中采用双半球孔节流，背靠背结构形式增大了跨 距，两半球能自立，无干涉，空气轴承的运动和静止部分之间 被一层空气包围，摩擦系数极小，且动、静之间无变化，无低 速爬行。由于靠气膜而不是靠机械变形支撑，因此具有很高的 置中性能，很适合作计量光栅的回转基准。 （二）角度基准器 一块 刻线129600条的圆光栅安装在空气轴承上，采用 平行光照明，提取以此相差 的四路正余弦信号，光栅误 差曲线经谐波分析

8、后，认为选取八读数头系统较好，为了获 2/ mm410 1精密测角仪 三、JC-1型精密测角仪的单元技术 得高质量光栅信号供电子电路细分，其结构设计的要点是： 采用高精度回转精度；长焦距平行光管发出的平行光照明； 多读数头合成；大视场接受；优化系统参数设计等，从而获 得了能满足500细分要求的光栅信号。原始信号经电路处理和 500细分后，其分辨率为 20 . 0 500129600 3600 1精密测角仪 三、JC-1型精密测角仪的单元技术 （三）动态光电自准直仪 n自准直仪是精密测角仪重要组成部分，其主要功能是：动态 自动取数，静态人工读数和接受谱线完成最小偏向角的测试。 n动态测量-由平面

9、反射镜返回的光线或光谱灯发出的单色 光经分束镜分成两部分，一部分成像在分划板上，完成目视测 量；另一路有两块直角棱镜等分成两部分，经两个狭缝分别有 两支R456光电倍增管转换成电信号，两信号具有一固定相位 差，经差分放大等电路处理后，给出一对称脉冲，以次脉冲提 取角度信息锁存、显示，完成动态测量，如图3-3所示。 用动态角度基准作为动态测量角度值的方式必须适应动态采样 速度响应的要求，其光路原理如图3-4所示。 1精密测角仪 三、JC-1型精密测角仪的单元技术 （三）动态光电自准直仪 n静态读数-该自准直仪没有目视测量系统，读数分划格 值为 ，目镜系统设计参数为：目镜视场角 ；目 镜放大率 ；

10、眼点距离15.37mm，出瞳直径1.12mm；目视 分辨率60对线/毫米。其它与动态测量系统共用的参数有：物 镜焦距900mm，物镜视场角 ；望远镜放大率倍数 ，物镜相对孔径118。动态光电自准直仪的主要技术关键是 提取高质量的差分信号。信号质量主要指：两路差分信号的 稳定性，等幅性，高信噪比和小的直流飘移等。信号质量直 接影响差分点对准精度。 52 . 0 0 372 5 .12 0 9 . 02 45 1精密测角仪 四、用于日常工作的测角仪器 以上介绍的JC-1型测角仪是属于高精密型的，在工厂和实验 室中大量的日常测角工作是在一般的精密测角仪（精度为秒 级）上完成的，一般精密测角仪结构原理

11、如图3-5 所示，这 类测角仪的所有部件包括自准直望远镜、工作台、平行光管、 光学度盘、符合成像系统、轴系和读数显微镜系统都装在牢 固的基座上。它的主要部分是光学度盘和轴系，二者精确共 轴。测角仪工作之前必须调整自准直望远镜和平行光管的视 轴，使它们垂直于光学度盘转轴（又称主轴），平行光管的 视轴应位于自准直望远镜绕主轴转动时其视轴扫过的平面内 （该平面与度盘刻线面平行）。 1精密测角仪 四、用于日常工作的测角仪器 为了适应不同工作的需要，精密测角仪可以有多种形式，例 如仪器的主轴由铅垂位置改为水平位置，即可作成本章第二 节所介绍的用于测量光学玻璃折射率和色散的V棱镜折光仪。 第三章 基本光学

12、测量技术 第二节 测角技术的应用 第二节 测角技术的应用 一、在精密测角仪上测量棱镜的角度 n准确度要求高的特殊棱镜，以及光学冷加工中使用的光学 角度样板，除了30、45、60、90标准角度的棱镜， 可以使用自准直方法并经计算获得较高的测角准确度外，通 常都要在精密测角仪上测量角度。常用的方法有如下三种。 （一）借助自准直望远镜定位对准测量棱镜角度（一）借助自准直望远镜定位对准测量棱镜角度 图3-6（a）是一种测量方法的原理图。 自准直望远镜的作用是对棱镜被测角 的两个平面定位和对准，通常 称为照准定位。测量时可以 使工作台和度盘固定，利用自准直 望远镜转动来照准定位； A 1 2 3 第二节

13、 测角技术的应用 一、在精密测角仪上测量棱镜的角度 也可以使自准直望远镜固定，工作台和度盘转动。 首先是自准直望远镜对准棱镜工作面，如图3-6（a）的实 现所示位置，当看到自准直像和分划板本身重合时，表示自 准直望远镜视轴与棱镜平面法线重合。这时，从度盘上得到 一读数。然后使自准直望远镜与棱镜工作面对准，如图3-6 （a）的虚线所示位置，又可得到 一读数，两次读数之差即为两工作 面法线的夹角。图中很容易 看出被测角A为： A 1 2 3 A=180- （3-1） 第二节 测角技术的应用 一、在精密测角仪上测量棱镜的角度 n在精密测角仪上测量时，首先必须调节被测棱镜的位置，使 组成被测角的两平面

14、法线构成的平面与自准直望远镜的视轴平 行。这样当自准直望远镜分别在平面和上照准时，可同时得到 在分划线本身重合的自准直像。为了是这样的调节方便起见， 在工作台上可以按图3-6（b）所示那样来放置被测棱镜。这时 转动调平螺钉3能使平面倾斜，而对平面的影响很小。当 转动调平螺钉2时能使平面倾斜，而对平面的影响很小。 A 度盘 自准直望远镜 被测角度 A 工作台 调平螺钉 1 2 3 第二节 测角技术的应用 一、在精密测角仪上测量棱镜的角度 （二）用平行光管和自准直望远镜组合定位对准（方法二） n使平行光管视轴和自准直望远镜视轴组成一锐角，如图3- 6所示。 先使构成被测角A的一个工作面转到图示位置

15、，并调节到自 准直望远镜中看到平行光管狭缝的 像。当狭缝像与自准直望远镜分划 板刻线对准时，就表明平面的法 线正处在该锐角的角平分线上。 此时从度盘上可以取得一读数。 2 n A 度盘 平行光管 自准直望远镜 1 n 第二节 测角技术的应用 一、在精密测角仪上测量棱镜的角度 然后，使工作台和度盘一起带着被测棱镜转动，直到使平面 转到此位置上，并再次从自准直望远镜中看到平行光管狭 缝的反射像。用同样对准后，有可以从度盘上取得另一读数。 很明显。两读数之差就是平面和的法线之间的夹角 ，于 是被测棱镜角A为： 这时，自准直望远镜本身的照明灯泡 不必点亮，作为普通望远镜使用。 在测量之前也必须调节工作

16、台的 调平螺钉，是被测角两表面法线 构成的平面与由平行光管视轴和 自准直望远镜视轴构成的平面相平行。 0 180A 2 n A 度盘 平行光管 自准直望远镜 1 n 第二节 测角技术的应用 一、在精密测角仪上测量棱镜的角度 （三）用分割平行光束定位对准测量棱镜顶角（方法三） n使被测角A的棱线对向平行光管，则由平行光管射出的平行 光束分成两半，分别射到平面和平面上， 如图3-7（b）所示。首先使自准直望远镜 转到正对着平面反射光线的方 向，观察到平行光管狭缝的反射像。 当反射像和分划板刻线对准时， 就可以在度盘上取得第一个 读数； A 平行光管 度盘 自准直望远镜 工作台 第二节 测角技术的应

17、用 一、在精密测角仪上测量棱镜的角度 然后使自准直望远镜转到正对着平面反射光线的方向，再 次观察到平行光管狭缝的反射像，并使它与分划板刻线对准， 从度盘上又可取得一个读数。两读数之差即为图中的角 。 很容易看出，被测角A为: 这里自准直望远镜也是作为普通 望远镜使用。测量之前还必须借 助工作台调平螺钉调节棱镜的 位置，使平面和的法线构成 的平面与旋转望远镜时由视轴 扫出的平面平行。 A 平行光管 度盘 自准直望远镜 工作台 A=/2 第二节 测角技术的应用 二、光学玻璃折射率的测量 n作为成像光学系统的介质材料，光学玻璃对折射率的要求 是很严格的，在光学玻璃整个熔制过程中，需要不断地进行 折射

18、率测量，以便控制折射率的变化，和即使纠正偏差，保 证成品玻璃的折射率在严格的质量指标范围内。 n众所周知，折射率是以光在真空中的传播速度与在介质中 的转播速度之比来定义的，但是要通过测量光速度来得到折 射率显然是很难办到的，光学玻璃折射率的测量主要借助于 折射定律，即通过测量光线在不同介质中传播时偏折的角度 来实现的，测角技术是测量光学玻璃折射率的基础。重点介 绍常用的V棱镜法，另外介绍一种适合折射率自动测量的直 角照射法。 第二节 测角技术的应用 二、光学玻璃折射率的测量 （一）用V棱镜测量光学玻璃的折射率 1.测量原理 图3-8为测量原理图。V棱镜是一块带有“V”字 形 缺口的长方形棱镜。

19、它是有两块材料完全相同、折射均为 的 直角棱镜胶合而成，V形缺口的张角为AED=90，两个尖棱 的角度BAE =CDE=45。 n将被测玻璃样品磨出构成90的 两个平面，放在V棱镜的V形缺口内。 由于样品角度加工的误差，被测样 品的两个面和V形缺口的两个面之 间会有空隙，需要在中间填充一些 折射率和被测样品折射率接近的液体， 0 n 0 45 1 2 B A D C E （一） V棱镜法 n这种液体称为折射液。其作用一是防止光线在界面上发生 全反射，二是即使样品加工90角不准确，加上折射液之 后，近似于一个准确的90角，三是样品表面只需要细磨， 免去抛光的麻烦。 n以单色平行光垂直入射V棱镜的

20、AB面，如果被测样品的折射 率n和已知的V棱镜折射率 相同，则整个V棱镜加上被测棱镜 玻璃样品就像一块平行平板玻璃一样，光线在两接触面上不 发生偏折。所以最后出射光线也将不发生任何偏折。如果两 者折射率不同，则光线在接触面上发生偏折，最后的出射光 线相对于入射光线就要产生一偏折角。 0 n （一） V棱镜法 很明显，偏折角 的大小和被测玻璃样品的折射率有关。V棱 镜法就是通过测量偏折角 的的准确值，计算出被测玻璃的 折射率 。 （1）若 ，入射光垂直于AB面,在各个分界面上应用 折射定律可得： n 0 45 1 2 B A D C 0 nn sinsin 45sin45sin 45sin45s

21、in 20 2 0 01 0 1 00 0 n nn nn 22 0 2 0 sinsinnnn 消 去 1 和 2 E )(n )( 0 n )( 0 n 图3-8 a （一） V棱镜法 若 则光线通过CD面后的偏折方向如图（b）所示， 将两种情况的公式合写为： 式（3-6）是V棱镜法的原理公式。 测得出射光线相对于入射角 ， 根据已知的V棱镜的折射率 ， 就可算出被测玻璃的折射率 。 E 0 45 1 2 B A D C )( 0 n )(n )( 0 n 0 nn sinsin 45sin45sin 45sin45sin 20 2 0 01 0 1 00 0 n nn nn 图3-8 b

22、 22 0 2 0 sinsinnnn )63(sinsin 22 0 2 0 nnn 0 n n （一） V棱镜法 当 时，式中取正号；当 时，式中取负号。由于在 测量前并不知道是 还是 ，式（3-6）中的正负号 可根据出射光线的偏折方向来确定。如图3-8（a）所示方向偏 折时取正号；如图3-8（b）所示方向时，取负号。对于应用这 种原理的专用测量仪器-V棱镜折光仪。则利用度盘上的度 数来区分正负号。对于 ，度盘上的 角的读数是在 030范围内；对于 的情况， 角的读数是在 360330范围内。 0 nn 0 nn 0 nn 0 nn 0 nn 0 nn （一） V棱镜法 2.V棱镜折射仪

23、n因V棱镜法具有测量精度高，测量速度快和测量范围广等 特点，所以光学玻璃的生产和使用单位广泛采用这种方法， 所用仪器称为V棱镜折光仪。 n这种仪器实际上是一台立式精密测角仪。它除了作为角度 测量仪器要求有较高精度的底盘和轴系外，对光学系统还要 求较小的二级光谱，并要求杂散光少和成像清晰等。 n国内外生产多种型号的V棱镜折光仪。分析和比较国内生 产的几种仪器后，在光学玻璃测试方法的国家标准中，采用 了国产JCZ-1型V棱镜折光仪做起诶普通光学玻璃折射率测量 的标准仪器。 （一） V棱镜法 图3-9是其光学系统图。它主要由平行光管、V棱镜、对准望 远镜、度盘和读数显微镜等组成。（图略） （一） V

24、棱镜法 n平行光管给出一束单色平行光，其视轴应与V棱镜入射面 垂直，分划板4上刻有一条和V棱镜的V型缺口底棱相平行的 细线作为目标线。为了减少杂散光，分划板上透光部分只有 中间一条窄带，其余部分不透光。分划板由单色光源通过聚 光镜2和滤色片2照亮。 n对准望远镜用于对准平行光管的目标线经过V棱镜和被测 玻璃的像。它由望远镜8、分划板9和目镜10组成。对准望远 镜和度盘14连在一起绕水平主轴OO旋转，使它对准出射光 线方向。它的分划板上是一对短双线，如图3-9 所示，用它 作为目标像的瞄准线。 （一） V棱镜法 n图中还给出了在对准望远镜视场中所看到的正好对准目标 像时的图像。为了保证在可见光范

25、围内用各种波长单色光照 明时，目标线像与双短线之间都看不出视差，准直物镜5和 望远镜8都应采用复消色差物镜。 n读数显微镜是用来读出度盘转角的它由显微物镜15，梯形 棱镜16和测微目镜组成。这里采用的是阿基米德螺旋式测微 目镜。仪器度盘的分划格值为1，利用测微目镜细分，可 以读到0.001。图3-10是读数显微镜的视场情况。图中读 数为14.8154，最后一位是估读的。 （一） V棱镜法 3.测量方法 光线的偏折角按下列步骤进行测量： (1)首先要调节仪器的零位，即当对准望远镜直接瞄准来自 平行光管的没有偏折的光线时，读数应是0。本仪器带有 一块校正零位的标准玻璃块，它是从V棱镜的同一块玻璃上

26、 切下来加工而成的。调整零位时，将它放在V棱镜的缺口内， 中间加少许折射率与已知的 接近的折射液。由于V棱镜与标 准块的折射率完全相同，光想通过时 不发生偏折。用望远镜 的瞄准双线对准平行光管的目标线，此时读数应为0。如有 偏差应校正好，或者记下零位读数，在以后的读数中减去。 0 n （一） V棱镜法 (2)在被测样品的两直角面上涂上少许与样品折射率接近的折 射液，然后将它放在V棱镜的缺口内，并注意排除其间的气泡。 （3）转动对准望远镜，找到平行光管目标线的像。并用瞄准 双线与之对准。 （4）用读数显微镜的测微目镜读出 此时度盘位置的准确读 数，经零位修正后就是所要测量的偏转角 。 （5）利用

27、式（3-6）就可计算出被测玻璃的折射率 。为了 快速测量的需要，通常采用事先编好制的 与 的表格。根据测得的 值，使用表格数据进行插值计算就得 到 值。 )( 0 nn n n )63(sinsin 22 0 2 0 nnn （一） V棱镜法 4.测量误差 根据间接测量的标准不确定度传播公式，折射率的测量标准 不确定度 可写为： 由式（3-6）可求得 )73()()( 2 2 0 2 2 0 n n n n n )(n )83( )(4 )sin2(2sin )(2 sin 1 2 0 2 22 0 2 0 2 2 0 0 nnn nn nnn n n n V棱镜材料折射率的测量标准不确定度偏

28、折角的测量标准不确定度 （一） V棱镜法 将式（3-8）代入（3-7）可得： 这就是V棱镜法折射率测量标准不确定度 的计算公式。 V棱镜材料的折射率在制造时必须经过精密测量，当要求 时，要求 不大于 。 偏折角 的测量误差包括下列因素： （1）度盘的刻线误差，用 表示它的标准不确定度。 （2）对准望远镜的对准误差，用 表示其标准不确定度。并 且有 ，其中 是人眼直接观察时的对准误差， 是望远镜的放大率。 )93()( )(16 )sin2(2sin )( )(2 sin 1 2 2 0 22 22 0 2 0 2 2 0 2 2 2 2 0 nnn n n nnn n n 1 n 2 )( 0

29、 n 6 102 / 2e e 5 102)( n （一） V棱镜法 （3）读数显微镜的读数标准不确定度，用 表示，这里包括 了显微镜的对准误差和测微目镜的测量误差。 考虑上述误差因素，偏折角的测量标准不确定度 为： 因为每测量一次 角。必须包括两次对准望远镜的对准过程 和两次读数显微镜的读数过程，所以上式中有系数2。当要求 时， 应不大于6。 5 102)( n )( 3 2 3 2 2 2 1 22)( )( （一） V棱镜法 例 现有一次测量，得到 ，已知 。 计算得到 ，设： 则根据（3-8）有： 代入式（3-7）可得： 701038. 1n 4782. 0 )64750. 17010

30、38. 1 (701038. 14 )26808. 6(sin264750. 1)26080. 62sin( 00065. 1 )64750. 1701038. 1 (2 )26080. 6(sin 1 701038. 1 64750. 1 22 22 22 2 0 n n n 0 2608. 664750. 1 0 n rad 6 10306)( 5262262 105 . 1)1030(47582. 0)105(00065. 1)( n （一） V棱镜法 n这样的测量不确定度已不能满足大多数光学仪器对光学玻 璃的折射率测量要求。 n上面讨论的是影响测量不确定度的一些主要因素，此外， 还有V

31、棱镜的形状误差、被测玻璃样品的角度误差、折射液的 折射率误差、仪器的调整误差、测量环境误差等等。但只要 按一定要求控制这些误差，就能使V棱镜折光仪的测量不确定 度不大于 。 5262262 105 . 1)1030(47582. 0)105(00065. 1)( n 5 102 （二）最小偏向角法 1.测量原理 单色平行光PM经被测棱镜AB面入射后，从AC面沿 方向射 出，入射光线与出射光线间的夹角 称为偏向角。当 时， 值最小，称为最小偏向角 。在最小偏 向角情况下，有公式： 测出被测棱镜的顶角A和 最小偏向角 ，即可求 出棱镜折射率。 PM 2121 ,iiii 2 sin 2 sin 0

32、 A A n 0 0 A B C M P M 0 1 i P 1 i 2 i2 i （二）最小偏向角法 2.测量方法 n测量工作在分光仪上进行，分光仪上基本结构： （1）平行光管-给出无穷远的目标； （2）带有阿贝式自准直目镜的望远镜-对被测三棱镜表 面自准直以及与平行光管狭缝像对准， （3）度盘和读数系统-读数方法为游标对准读数方式。 3.测量方法及步骤 （1）调整分光仪：将三棱镜（被测试样）放在承物台上 （注意三棱镜三个表面与承物台下的三个调节螺钉一致）， 通过调节承物台下的三个螺钉使分别使三个表面的自准直像 在望远镜视场中的高低位置一致以保证三棱镜主截面与度盘 （二）最小偏向角法 旋转轴

33、垂直（三棱镜存在棱差时，应使构成顶角A的两个表 面自准直像高低一致。 （2）测量顶角A：转动自准直望远镜 对构成顶角A的一面自准直，读出读数； 再转动自准直望远镜对另一面自准直， 再读数，两次读数差的角 与 顶角A互补，即 ； 0 180A A B C MM 0 1 i P 1 i 2 i2 i （二）最小偏向角法 （3）测量最小偏向角：用单色平行光照明平行光管的狭缝 像，平行光管射出的平行光从三棱镜AB面入射，由AC面射 出，转动自准直望远镜找到狭缝亮像时，慢慢逆时针、顺时 针反复转动承物台，如果看到狭缝亮像像棱镜顶角A的方向 移出视场，则可少量转动自准直望远镜使 狭缝亮像进入视场，然后继续

34、转动承物台， 直到在视场中找到狭缝亮像刚要 往回走的位置，并转动望远镜使 其分划板中心与此位置的狭 缝亮像对准，即可读出读数； A B C MM 0 1 i 1 i 2 i2 i （二）最小偏向角法 取下三棱镜，转动望远镜对准平行光管，使平行光管狭缝亮像 与自准直望远镜分划板中心对准，再读数；两次读数差即为 。将所测顶角A、最小偏向角 代入计算公式即可算出照明单 色光的折射率大小。如用钠黄光照明狭缝，则可得折射率 。 0 D n 0 A B C MM 0 1 i 1 i 2 i2 i （二）最小偏向角法 提高测量准确度的措施-三像法 （1）准确确定最小偏向角的位置。实验中当接近以最小偏 向角折

35、射时，折射狭缝亮像移动很慢，刚要往回走（最小偏 向角)位置是很不容易确定的。我们可以借助三棱镜的内、 外反射像与视场中的折射像的相对位置，准确确定最小偏向 角的位置（如图所示）： a）若棱镜的 B与 C严格 相等时，转动承物台，使内、 外反射像、折射像三个重合， 即为最小偏向角（也可是外反 射像与折射像重合） A B C a b c d e f g （二）最小偏向角法 内反射像在棱镜内经三个表面反射一次从出射面射出进入自 准直望远镜的像；外反射像指光线没有进入棱镜，只从棱镜 底面反射进入自准直望远镜的像 指b）棱镜的 B与 C不相等，转动承物台，三个像不可能 重合，让内反射像与外反射像分布 在

36、折射像的两旁，使内反射像到折 射像的距离为外反射像到折射像的 距离的二倍时，可大致认为是最小 偏向角的位置。 g f a b d c C B A e b c B d g 2 （二）最小偏向角法 （2）以三棱镜三个角分别为顶角测出 ，取平均数代入计算 公式进行就计算。但该棱镜的三个角的差值不能超过几秒。 4.测量误差 由间接测量标准不确定度传播律公式：折射率的测量标准不 确定度为： 其中： 2 2 0 2 2 0 n A n An 顶角A测量标准不确定度 最小偏向角测量标准不确定度 0 （三） 直角照射法 1.测量原理 如图3-11所示，对一个三棱镜的被测样品，要 求平行光束对向一个棱（如图中A

37、B棱）并垂直于底面（BC面） 照射，入射平行光束被分成两半， 分别经AB、BC面和AC面。经AC、BC面 折射后，产生两束折射光，测角仪测出 两束光的夹角 后，可以由公式求出 被测样品的折射率。由于本方法要求 平行光束垂直底面照射，故称为直角 照射法。 A C t A B t B iC i B i C i A BC BC （三） 直角照射法 原理公式见图3-11，由光路1得： 由光路2得： 并有： 同理，依次以B、C为顶角，可得与上述 7个公式类似的两组14个公式，又因 故有 b inBsinsin C t A B t B iC i B i C i A BC bB iBi CB bb tins

38、insin c inCsinsin cc iBi cc tinsinsin cbA tt 0 180CBA CBACBAtantantantantantan （三） 直角照射法 利用上述关系可以导出该方法的原理公式： 当直接测量 时，利用下列关系式： 求出 代入（3-10）式就可以利用计算机精确求出被 测玻璃的折射率。 )103( 1sin sin 1sin sin 1sin sin 1sin sin 1sin sin 1sin sin 222222 222222 a a b b c c a a b b c c tn t tn t tn t tn t tn t tn t 2 , 2 , 2 A

39、CB a BCA b CBA c ttt CBA , cba ttt, （三） 直角照射法 直接测量 与直接测量 比较，可以减少瞄 准次数并且受入射光与底面垂直的影响较少，故精确度较高。 上述分别通过A、B、C三个顶角入射，测出 的方 法，称为封闭测量法。 n当玻璃的折射率较高（例如大于1.8），若试件做成等边三 棱镜，则光束会在棱镜内发生全反射。为此可做成顶角大于 60度的等腰棱镜，平行光束对向这个角入射，则不会发生全 反射。但不能进行封闭测量，只能得到一组7个方程，由这组 方程可得到入下等式： )113(1 sincossinsin sin sincossinsin sin 2222 CC

40、CnC t BBBnB t cb cba ttt, CBA , CBA , （三） 直角照射法 测出角度 后，应用计算机也可以求出折射率。但其 准确度不如封闭测量法高。 2.测量方法 n在测角仪的工作台上放一块两平面严格平行、两平面皆镀铝 的方形玻璃板，调整自准直望远镜，使它对玻璃板的两平面皆 自准直（即望远镜视准轴垂直于平面），这时自准直望远镜视 轴垂直于度盘转轴。再调整平行光管，使其视轴与望远镜视轴 一致（见图3-12）。 工作台上换上被测三棱镜，倾斜调节工作台，使自准直望远镜 对三棱镜的一个平面（如BC面）自准直，这时平行光管出射的 平行光垂直于BC面，如图3-12所示。 CBtt cb

41、 , （三） 直角照射法 绕测角仪主轴转动自准望远镜，分别在位置1和2处两次对准从 棱镜出射的平行光管的狭缝像，用仪器的读数 系统读出位置1和位置2的夹角，即为 ； 转动工作台，按同样的方法是平行光束 分别垂直于AC、AB面入射，测出 ， ，即可求出 ，由式 （3-10）求出折射率 。 cba ttt, n A B C 1 2 （三） 直角照射法 3.误差分析 由式（3-10）可以看出，直角照射法测量折射率的误差主要 由测量角度 的误差产生，先求误差 与 的关 系，为讨论问题方便，可设 此时式（3-10）可以变为： 对上式求微分得： CBA , ddn CBA )123(3 2 sin32 2

42、 sin4 3 1 22 AA n )133( 2 cos3sin2 6 1 A A A d n dn （三） 直角照射法 简写为 可以看出K值与折射率n有关，表3-1给出了不同折射率的K值 以及 为1和1.5时产生的n值。 K值的大小反映了不同测量方法的误差灵敏度。就是说，在相 同的测角误差 的情况下，K值越小产生的折射率误差 越 小，说明该方法对测角误差不灵敏。因而是较好的方法。 A A Kddn n1.41.51.61.71.8 k0.390.370.330.270.18 n 1 A 5 . 1 A 6 109 . 1 6 108 . 2 6 108 . 1 6 106 . 1 6 10

43、3 . 1 6 109 . 0 6 107 . 2 6 104 . 2 6 100 . 2 6 103 . 1 dn （三） 直角照射法 下面将直角照射法与最小偏向角法作一比较： 假设取试样的 ，顶角 ，由表3-1查出直角照射 法的 。最小偏向角法的K值由下式计算： 当 时，最小偏向角 ，由上式得： 可见，直角照射法的测量准确度高于最小偏 向角法。 例如当 时， ；若要求最小偏向角法的测 量误差 ，则要求 ，即要使用不确定度 小于1的测角仪进行测量。 2 tan 2 1 0 0 A nc d dn K 5 . 1n 0 60A 37. 0K 0 60, 5 . 1An01370 0 37. 0

44、662. 0K 5 . 1 A 6 103 n 9 . 0 0 6 103 n （三） 直角照射法 n影响测角误差的因素除测角仪的测角误差外还有入射平行 光束平行度误差；入射光束与底面的不垂直度误差；此外还 有由于测量环境引起试样折射率和空气折射率的变化而产生 的折射率误差。现分析如下： （1）入射试样的平行光管的平行度。 当光束的会聚角或发散角为0.5时，经计算的折射率的误差 。可见该项误差影响大，必须采用第一章第 二章介绍的五棱镜法调校测角仪的平行光管。由于平行光管物 镜色差的影响，每次更换单色光照明时，必须重新调校平行光 管。 6 1 1063. 0 n （三） 直角照射法 （2）平行光

45、束与底面的垂直度。 设光束对底面的倾角为 ，假定已知折射率n的情况下，可以 求出 的偏差 ，再由式（3-13）求出 。 设 ，得 ，可见该项误差影响很小。 （3）测量的环境影响， 测量过程中应保证环境的温度为 ，气压为 。如果测量环境不符合上述要求，则应对 测量结果作温度修正和气压修正。 环境条件修正问题可以归结为两方面，一是样品折射率的环 境温度修正，而是环境的空气折射率修正。 6 2 1044. 0 n A A n 3 C 00 5 . 020 Pa500101325 （三） 直角照射法 A.样品折射率的环境温度修正 光学玻璃的折射率随温度变化而变化，通常把温度每增高 折射率的增长值称为折

46、射率温度系数，用符号 表示。当测 量环境的温度为 时，用下式计算样品折射率温度修正值 式中， -样品折射率随温度变化三维修正量； -折射率温度系数； -测量环境的温度。 时， 为正。 B.测量环境的空气 折射率修正大气压强对光学玻璃折射率测量的影响是通过空 气折射率改变而引起的。 Ct 0 C 0 1 )143()20(tnt t n t Ct 0 20 t n （三） 直角照射法 n由于空气折射率的改变，使光线在玻璃样品与空气交界面 上的光线折射方向改变，从而使折射率测量数值改变。空气 折射率的大小与气压压强、温度、空气中的水蒸气气压、 含量以及光波波长等多个因素有关。 n按最新的空气折射率

47、修正公式有： 2 CO )153( 0036610. 01 )00972. 0601. 0(101 43.96095 ) 1( ) 1( 8 15 t PtnP n tp PaC （三） 直角照射法 n当压强101325Pa，温度15C时空气折射率的小数部分用 下列空气色散公式计算： 式中： -光波波长的倒数，单位为 。 n当 时，由式（3-16）算出 )163()9 .38(15999 )130(240629405.834310) 1( 12 128 15 n 1 m 000277. 0) 1( 15 n m d 58756. 0 （三） 直角照射法 当空气温度 ，压强 时，对 的光波，空气

48、折射率由式（3-15）计算， 式中： 得： 即得标准条件 ， 。对 的光波的空气折射率 。 Ct 0 20 m d 58756. 0 PaP101325 Ct 0 20PaP101325000277. 0) 1( 15 n )153( 0036610. 01 )00972. 0601. 0(101 43.96095 ) 1( ) 1( 8 15 t PtnP n tp 000272. 0) 1( 101325,20 n Ct 0 20PaP101325m d 58756. 0 000272. 1 0 L n （三） 直角照射法 考虑到空气中水蒸气压强时空气折射率的修正公式为： 式中 -水蒸气压

49、强，单位Pa。 考虑到空气中 含量时的空气折射率修正公式为： 式中X- 在空气中的相对含量，X是相对量。 )173(10)0401. 07345. 3( 102 fnn tptpf 2 CO )183() 1)(0003. 0(540. 01 ) 1(nXn f 2 CO （三） 直角照射法 有了正确计算空气折射率的公式，就可以计算在测量环境条 件下的空气折射率 ，以及标准环境条件的空气折射率 ，由下式即可求出标准条件下被测玻璃的折射率： 式中 ， 由式（3-14） 计算。 L n 0L n )193( 0 t L L n n n nn 测 )58756. 0(000272. 1 0 时mnL

50、 t n 三、精密测角法测量物镜焦距 通过精密的角度测量得到物镜焦距的方法是常用的，也是准 确度很高的方法。 （一）测量原理 如图3-13所示，在 被测透镜的焦平面上， 垂直于光轴设置一玻璃 刻线尺或者分划板。其中 A和B是它上面的两条已知间隔为 的刻线。两刻线对被测 物镜主点的张角为 ，则当刻线尺或者分划板被照亮后， 刻线上A和B两点发出的光束经过被测透镜后，成为两束夹角 为 的平行光。 0 2y 2 2 0 2y f 2 2 度盘被测物镜刻线尺 望远镜 （一）测量原理 用测角仪上的望远镜先后对准刻线A和B，则望远镜转过的角度 就是 ，从图中可以看出被测物镜的焦距 为： 这就是精密测角法测量

51、焦距的公式。其中 是玻璃刻线尺或 分划板上两条刻线的间隔， 是事先经过精密测量 的已知量。只要精确 测量出角度 ， 就很容易计算出 焦距 。 f 2 )203(tan/ 0 yf f 2 0 2y 0 2y f 2 2 度盘被测物镜刻线尺 望远镜 (二)测量方法 利用经纬仪测量平行光管物镜的焦距就采用了上述原理， 如图3-14所示，将经纬仪安置在被测平行光管物镜前，首先 要将平行光管的分划板准确调焦在物镜焦平面上，调节经纬 仪的内调焦转鼓，是平行光管分划板的刻线清晰而无视差地 成像在经纬仪望远镜视场内，转动平行光管，使其分划板上 刻线的方向和经纬仪望远镜的垂直分划板一致。 22 B 分划板平行

52、光管物镜经纬仪 A (二)测量方法 在平行光管分划板上选定两条刻线A和B，其间隔 可事先测 出。转动经纬仪并使望远镜先后对准该两条刻线，于是，通 过经纬仪的读数系统，从水平度盘上可先后记下两个读数， 它们之差就是所要测量的角度 。 将已知的 和测量得到的 代入时式（3-20），就可计算 出被测的平行光管物镜的焦距。 2 0 2y 22 B 分划板平行光管物镜经纬仪 A 0 2y2 )203(tan/ 0 yf (二)测量方法 n也可以应用这个测量原理在精密测角仪上测量物镜的焦距。 如图（3-15）所示。被测物镜安置在测角仪的工作台上，使 物镜入瞳中心与工作台转动中心基本重合。首先利用自准直 原

53、理将一立方棱镜的带有分划刻线尺的表面调到位于被测物 镜的焦平面上。为此在物镜前 设置一辅助平面反射镜， 在立方棱镜后用一低倍 显微镜观察分划刻线 尺和由辅助平面反射 回来的刻线尺像。 0 2y f 2 度盘 被测物镜 望远镜 滤光片 低倍显微镜 辅助平面发反射镜 A B (二)测量方法 调节到两者重合无视差时，立方棱镜的分划表面就准确定位 于焦平面上。测量时取走辅助平面反射镜。转动望远镜使它 先后对准两条刻线A和B。两个度盘读数之差值就是角度 。 已知A和B两刻线间距为 ，于是，代入式（3-20）就可计 算得到被测物镜的焦距。 2 0 2y 0 2y f 2 度盘 被测物镜 望远镜 滤光片 低

54、倍显微镜 辅助平面发反射镜 A B （三）测量误差 由式（3-20）可以得到： 因此，焦距 的测量标准不确定度 为： 2sin 2 cossin 1 tansin tan 1 0 2 0 00 f yyf y f y f )223( 2sin 21 2 2 2 2 0 0 y f yf )213( 2sin 21 2 2 2 2 0 0 y f y f f f （三）测量误差 由于是间接测量，所以，焦距测量标准不确定度由刻线间隔 的测量标准不确定度和角度测量的标准不确定度组成。 在测长仪上测量分划线的间隔 ，可达到 例如，用一经纬仪测量平行光管物镜焦距，测角标准不确定 度为 ，则 。已知刻线间

55、隔 为 ，测得 ，利用式（3-20） 得到： 利用（3-22）式就是测量相对标准不确定度为： 0 2y mmy0005. 0)( 0 mmf09.1199)1 .1271tan(/6 2)2( rad 5 105 . 01)( mmy000.122 0 2 .24432 %1 . 0)105 . 0( 2 .2443sin 2 )0005. 0( 6 1 25 2 2 2 f f （三）测量误差 n由计算例子可以看出。精密测角法测量物镜焦距的准确度 是比较高的。如果使用准确度更高一些的精密测角仪器或者 经纬仪，焦距的测量准确度还可以提高。 n但是必须指出，用这种方法测量时，测量装置调整比较麻

56、烦。测量时还应注意被测物镜畸变和球差的影响。为此选 择分划刻线间距 不要太大，也就是由测角仪器测量到的 角度 值不能太大，否则，经纬仪的望远物镜将切割光束 而引起对准误差。而且应使两刻线尽量对光轴对称安置。 本方法不适于测量负透镜的焦距。 0 2y 2 四、自聚焦透镜数值孔径测量 n自聚焦透镜又称梯度折射率元件，它是一种不同于普通光 学透镜的新型成像光学元件。这里所介绍的是一种折射率随 径向变化的圆柱形光学透镜。由于自聚焦透镜具有体积小、 重量轻、像差小。入射和出射面是平行平面等特有的优点， 目前已在工业内窥镜、医用内窥镜、复印机的阵列镜头、微 型照相机、激光视盘、光学传感器和光通讯系统等领域

57、得到 广泛应用。自聚焦透镜的光学参数与普通透镜光学参数有较 大差异，数值孔径是自聚焦透镜的基本评价参数之一，它反 映元件的聚光能力和成像能力。这里介绍一种应用测角技术 来测量其数值孔径的原理和方法。 四、自聚焦透镜数值孔径测量 （一）测量原理 如图3-16所示，从自聚焦透镜的成像过程可以看到光线在透 镜中是沿正弦曲线传播的，一条入射到自聚焦透镜前端面的 光线，其入射角为 ，入射位置为 ，根据斯涅耳定律， 进入透镜后有如下关系式： 式中 -自聚焦透镜最大数值孔径； -在最大数 值孔径情况下入射光线与透镜中轴线的夹角； -入射光 线在进入透镜后的折射角； -自聚焦透镜的中心折射 率； -自聚焦透镜

58、分布系数 ； -自聚焦透镜的半径。 0 0r )233(sinsin)( 00000 rAnnNA 0 )(NA 0 0 0 n A 2 0 2 1)(r A nrn 0 r 四、自聚焦透镜数值孔径测量 从公式可以知道，若能测得 值，将会很快计算出自聚焦的 数值孔径值，关键是要准确地确定对应最大孔径角的光线位置。 （二）测量方法 如图所示采用一个 有较高准确度的 测角装置，样品 置于精密转台上， 用平行光垂直自聚焦 透镜的前表面，其前表面 中心和测角装置转台中心精确重合。 0 )233(sinsin)( 00000 rAnnNA 平行光管调制器转台 光电二极管A/D转换器 打印机 计算机步进电

59、机自聚焦透镜 样品前端面光阑 （二）测量方法 测角装置转台在步进电机的带动下，相对于光束转动，样品后 端面进入积分球输入端口，用在积分球上的光电探测器探测输 出光强，通过放大器，由单板机进行处理。 这里需要说明的是 自聚焦透镜的光学 参数与它的长度 和传播周期P有关, 一般 等于P/4、P/2、 P/3和P，不同周期长度 的自聚焦透镜它的出射光束方向 也不相同。 0 Z 平行光管调制器转台 光电二极管 打印机 计算机步进电机自聚焦透镜 样品前端面光阑 0 Z A/D转换器 （二）测量方法 参看图3-16。在图3-17 中以测P/4长度的自聚焦透镜为例进 行数值孔径大小的测量。设光束垂直于样品前

60、端表面入射， 也即 的输出光强为 ，当 逐渐变大，输出光强逐渐变 小，我们定义 对应的入射角 为数值孔径角，对 取正弦值就得到数值孔径NA。 0 0 %5)(II 平行光管调制器转台 光电二极管 计算机步进电机自聚焦透镜样品前端面光阑 A/D转换器 打印机 0 I （三）测量误差 引起测量误差的主要来源有： （1）平行光管发出的光束不平行引入的数值孔径的不确定度 平行光管发出的光束发散角为0.14时，引入的数值孔径角不 确定度0.035，数值孔径值的不确定度 ； （2）步进电机转动系统的误差引入数值孔径的不确定度 步进电机所连接的蜗轮蜗杆传动比174，当蜗轮蜗杆绝对准确 地传动时，步进传动系统